Лекции Рубина (1123233), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Если к тонкойнезаряженной мембране приложить внешнее поле, то внутри мембраныпотенциал будет меняться линейно, т. е. градиент приложенного потен-ш1Рис.13.5.дела фаз.Профили распределения потенциала на границе раз(1)в мембранах разной толщины(11); в тонкой мембра1) и при наложении разности2): (<р1, <р2 - электрические поне в отсутствии внешнего поля (Ш,электрических потенциалов (Ш,тенциалы в объеме фаз; <ро - электрический потенциал на границе раздела;s 1 , s2 -диэлектрическая проницаемость двух фаз;Л.
1 , Л. 2 - длина экранирования для первой и второй фазы139циала в мембране постоянен по всей ее толщине:d({>ldxconst.=Однакоесли поверхность тонкой мембраны исходно заряжена и имеет фиксированные заряды, то в пространстве около поверхности образуется двойнойэлектрический слой. В этом слое противоионы из раствора будут удерживаться электростатическим притяжением мембранных зарядов. Такому притяжениюпрепятствуеттепловоедвижениеионов,стремящеесявыровнять их концентрации на поверхности и в объеме. В результатеповерхностный потенциал на мембране будет сложным образом зависетьот плотности поверхностного заряда, равновесной концентрации электролита в растворе и температуры.Поверхностный потенциал мембраны играет еще и важную роль вбиоэлектрохимических процессах. В экспериментах обычно измеряютблизкую величину- электрокинетический потенциал ~ (дзета потенциал), или потенциал скольжения.
Он определяется с учетом того, что первый слой ионов со своими гидратными оболочками и первый слоймолекулы воды, смачивающих твердую фазу, удерживаютсяоколозаряженной поверхности при движении мембранной частицы относительно жидкости. Электрокинетические явления (электроосмос, электрофорез,потенциалтечения,потенциалоседания)обусловленымебранным поверхностным зарядом.Доннановское равновесие-это вид ионного равновесия междуфазами, когда одна из фаз несет заряженные частицы, неспособные перейти в другую фазу. Допустим, что две водные фазы, в каждой из кото-рых растворен электролит А+в-, разделены мембраной, проницаемойдля электролита.
Пусть в одной из фаз (фазафиксированные зарядыQ,2)имеются положительныекоторые не могут проходить через мембрану.Приусловии равновесия для подвижного иона одногохимические потенциалы(13.2) в обоих растворахтипа электро(1и2) одинаковы(13.10)иИз условий равновесия(13.10)получаем уравнение для разностипотенциаловRT({}1-({}2=-FСА2ln - =-СА,RT-FСв2ln-,Св,(13.11)которое называется уравнением Нернста для равновесного потенциалана мембране. Оно показывает, что равновесный потенциал на мембранеопределяется соотношением концентраций электролита в обеих фазах.140ЕслиCAI' =Свl'=22СА = Св , =С, то Л<р=О. Из уравнения(13.11)следуетсоотношение(13.12)Влияние недиффундирующего ионаQприводит к тому, что намембране появляется разность потенциалов, даже если концентрацииэлектролита по обе стороны мембраны исходно бьши равны.
В самомделе, из условия электронейтральности первой фазы следует, что(13.13)а для второй фазы это же условие в присутствииQ имеет вид(13.14)Очевидно, что во второй фазеЗначит, зарядQвфазе2компенсируется повышенным содержанием вней анионов в - при более низком содержании катионов А/. В этом2случае возникает доннановская разность потенциалов, которая равнаЛ<рD=<р2-<р1САRTс=RTln-' = - ln ->оСА,FСА,'где СА < С.
Величина Л<рD может достигать довольно больших значений,2когда приQ >>С вфазе2аккумулируются анионы в - до концентрации,2намного большей, чем концентрация С электролита в водном растворе.141Лекция 14.ПАССИВНЫЙ ТРАНСПОРТВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУПассивное прохождение веществ через мембраны из одной фазы вдругую происходит под действием движущих сил-градиентов концентраций или потенциалов, существующих между фазами.Транспорт неэлектролитов происходит по механизмам диффузии.
Поток веществаконцентрацииdCdx1в направлении оси х пропорционален градиенту(закон Фика):dCl=-Ddx'(14.1)21где D- коэффициент диффузии [см · с- ], зависящий от температуры иподвижности и вещества в среде:D=RTu.(14.2)В случае тонкой мембраны градиент концентрации постояненdCdx=const-и движущая сила равна разности концентраций С1 и С2 вомывающих мембрану растворахгде Р - коэффициент проницаемости мембраны для данного вещества.Проницаемость зависит от коэффициентов диффузииDи распределенияу вещества между водной и липидной фазами и уменьшается с увеличением толщиныh мембраныр = Dy = RTuy.hh(14.3)Существует определенная корреляция между проникающей способностью веществ и их растворимостью в липидах, что справедливо в случаебольших гидрофобных молекул. Однако малые гидрофильные молекулымогуг проникать по водным порам или перемещаться вместе с диффузией кинков через углеводородную зону.
Неэлектролиты проникают в гидрофобную часть мембраны, или в узкую пору, при условии, что онитеряют свою гидратную оболочку. Необходимо затратить определенную142энергию, чтобы "оторвать" диполи воды от полярных групп молекулы(-СООН, -ОН,- NH2).Это определяет причину сильной температурнойзависимости коэффициента проницаемости мембран для ряда неэлектролитов. Другим видом пассивного транспорта является облегченнаядиффузия аминокислот и сахаров.
Она отличается от простой диффузиивысокой специфичностью по отношению к транспортируемому веществу, насыщением скорости диффузии при увеличении концентрации вещества, чувствительностью к действию определенных ингибиторов. Всеэто говорит о сходстве облегченной диффузии с ферментативными процессами и указывает на участие переносчиков в этом процессе. Формально начальная скорость переноса вещества описывается уравнением,аналогичным уравнению Михаэлиса-Ментен:(14.4)гдеSo -концентрация вещества в наружном растворе.
Концентрациявещества внутриS;=Oв начальный момент времени. По мере ростаSoвсепереносчики оказываются связанными и дальнейшего увеличения скорости диффузии уже не происходит. Движущей силой транспорта с участием переносчика будет градиент химического или электрохимическогопотенциала переносимого вещества. Существуют переносчики, которыеодновременно переносят и аминокислоту и ион, фиксируя их на двухцентрах связывания (например, в эритроцитах). Таким же образом происходит транспорт глюкозы в сердечной мышце с образованием комплекса переносчика Пс Na+ и глюкозойДвижение этого комплекса облегчается за счет взаимодействия заряда Na+ с электрическим полем.
Подчеркнем, что в пассивном транспорте энергия метаболизма не тратится на поддержание градиентов. Привыравнивании градиентов в процессе диффузии в системе наступаетравновесие и облегченная диффузия прекращается. В отличие от этого вактивномтранспортеподдержаниеградиентов-движущихсилтранспорта - происходит за счет энергии сопряженных метаболических процессов.Транспорт ионов через искусственную липидную мембрану, которая рассматриваетсярывныйкак гомогеннаяхарактер.непрерывнаяСогласносреда,соотношениямноситнепреОнзагера,пропорциональности между потоками и их движущими силами (лекция5),поток1заряженных ионов пропорционален градиенту электрохимического потенциала( d/i / dx)в направлении оси х. Он также зависит отПОДВИЖНОСТИ и и концентрации с ИОНОВ143аµ1= Си(--)dxПодставляя в(14.5)(14.5)выражение для электрохимического потенциа-лаµ = µ 0 + RТlnC +ZF ер,dlnCdxнайдем с учетом1 dCCdx'чтоdCdep1 = -uRT- -uCZFdxdxВыражение(14.6)(14.6)называется уравнением Нернста-Планка пассивного транспорта ионов в поле электрохимического потенциала.
Решениеэтого уравнения возможно при двух упрощающих условиях. Во-первых,возможно, что справедливо условие электронейтральности не толькофаз, разделенных мембраной, но также и самой мембраны. Это осушествляется, когда концентрации анионов и катионов равны в любой плоскостипооси х(С_= С+).Вэтомслучаемеждудвумярастворамиэлектролита возникнет диффузионный электрический потенциал, который обязан своим происхождением различной подвижности катионов(и+) и анионов (и-). Уравнение Гендерсона для диффузионного потенциала Лер = ер2-ер1 имеет вид(14.7)Например, при соприкосновении двух растворовбольшей подвижности иона хлора ИСL ~1,5NaClвследствиеИNа раствор с меньшей концентрацией приобретает отрицательный потенциал по отношению кконцентрированному раствору. При отношении С1/ С2 ~Лердиф в случаеNaClможет достичь~121ОвеличинамВ.Уравнение Гендерсона, однако, неприменимо для описания потенциала на мембранах клетки, так как на тонких мембранах, к которымотносятся клеточные мембраны, не соблюдается условие электронейтральности по всей толщине мембраны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
